在现代广义相对论中，黑洞是宇宙空间内存在的一种密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的奇异天体。它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生自身引力坍缩而产生的。由于它类似热力学上完全不反射光线的黑体，被著名的美国理论物理学家约翰·惠勒称之为“黑洞”，并沿用至今。
　　与别的天体相比，黑洞十分特殊。它的质量极其巨大，而体积却十分微小。它可以产生巨大的引力，任何物质一旦进入到它的引力临界点（即黑洞的边界，也叫黑洞视界），便再无法逃脱，就连传播速度最快的光也逃逸不出。因此，人们无法直接观察到黑洞，科学家也只能对其内部结构提出各种理论猜想。
　　科学家们认为，黑洞把自己隐藏起来的“武器”是时空弯曲。根据广义相对论，时空会在引力场作用下发生弯曲。这时候，光虽然仍然沿着任意两点间的最短光程传播，但相对而言，它已经弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。由于黑洞的存在，被它挡着的恒星发出的光，有一部分会落入黑洞中而消失，但另一部分光线则会通过弯曲的时空，绕过黑洞而到达地球。
　　1974年，霍金考查了黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像天体一样发出辐射，该辐射被命名为“霍金辐射”。“霍金辐射”的温度和自己的质量成反比——这样，黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，最后以爆炸告终。
　　1976年，他提出了著名的“黑洞信息悖论”，即黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，黑洞内部的信息也就不知去向。
　　量子物理学的发展，让黑洞的存在变得“可疑”。现代量子物理学认定物质信息是永远不会完全消失的，这就与霍金提出的黑洞理论存在相悖之处。其实，霍金也一直在思考黑洞是否存在。他在《时间简史》中曾写到，他曾担心黑洞可能只是理论上的概念，而现实中根本不存在。2004年，霍金推翻了自己的论述：在他提交于“第17届国际广义相对论和万有引力大会”的论文中，他坦诚“黑洞信息悖论”是错误的，黑洞同样遵守宇宙普遍规律，是信息守恒的。此外，霍金还证明了黑洞的面积定理，即随着时间的增加，黑洞的面积不减。
　　1月22日，72岁的霍金再次震惊了国际物理学界。他在当天提交给美国康奈尔大学的论文《Information Preservation and Weather Forecasting For Black Holes》中，提出了一个新的关于黑洞视界的解释，并尝试解决“黑洞信息悖论”。在这篇论文中，霍金指出由于找不到黑洞的确切视界，因此经典理论上的黑洞是不存在的。他在论文中承认自己最初有关黑洞视界的认识是有缺陷的——光线其实是可以穿越视界的。当光线逃离黑洞的核心“奇点”时，它的运动就像人在跑步机上奔跑一样，慢慢地通过向外辐射而收缩。这与量子力学理论表明能量和信息是可以从黑洞中逃离出来的有了共通之处。
　　论文中，霍金既没有放弃相对论，也没有放弃量子力学。他提出，黑洞附近的量子效应使得时空涨落极其猛烈，因此不可能存在一条绝对清晰的分界线，也就不存在一落进去就再也逃不出来的所谓“事件视界”。取而代之的是，霍金提出了一个被称为“表面视界”的全新概念。在这个视界的表面，企图逃离黑洞核心奇点的光线，将被悬浮。信息只是暂时被囚禁在其中，终有一天，随着“表面视界”的消失，被囚禁的信息会以另一种几乎无法辨认的方式被释放出来。假如霍金的这一最新理论未来被证明是正确的，那么原则上来说，一切物质最终都可以逃离黑洞，于是严格的传统意义上的黑洞也就不复存在了。